第一原理電子状態計算にもとづく金属/絶縁体超格子の電子特性

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13640333
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 松浦 満 山口大学, 工学部, 教授 (60091211)
• 研究分担者: 栗巣 普揮 山口大学, 工学部, 助手 (00253170)
• キーワード: 金属 / 絶縁体超格子 / FLAPW / 密度汎関数法 / 状態密度 / 光電子分光

研究概要

実験で作製されている金属絶縁体超格子系は、CoSi_2/CaF_2系及びTi/MgO系などである。以前に我々はCoSi_2/CaF_2について密度汎関数法にもとづく第1原理電子構造計算手法を用いて理論的に電子的性質の計算を行い、共有結合的な原子間の電荷密度の記述も出来、現在最も効率的で信頼性のある手法の1つであるFLAPW法(フルポテンシャル線形化APW法)を用いて、電子状態の特徴を明らかにした。ここでは、我々と共同研究を進めてきたTi/MgO超格子をとりあげ、同様な方法で電子状態の解明を進めた。
実験のX線構造解析では確定していない界面での原子配置を含めた系全体の原子配置を全エネルギー最小により定め、この構造に対して電子構造を計算し、基本的な性格を明らかにした。
まず、価電子帯、伝導帯を形成している起源について波動関数の分析より各エネルギー領域で、その原子軌道との関連を明らかにした。フェルミエネルギーの位置はMgO層のバンドキャップ内にあるTi層の連続電子状態の途中に位置しており、金属となっている。また、電子状態には(a)Ti及びMgO層の各々に閉じ込められた状態と(b)Ti及びMgO層に広がった状態の2つに大きく分類され、それが超格子の積層される方向を反映するK_2方向での分散が無い状態、ある状態に反映している。
Ti/MgOの金属/絶縁体超格子系の作製を行っている中国技術研究所グループ共同で光電子分光(XPS)を測定した。その結果、試料サンプル表面のMgO層の状態を反映するスペクトルから、エッチングをし、表面を削るにつれ、Tiの状態を反映する構造がスペクトルに現れた。これらのスペクトルの変化は、価電子帯の状態密度の理論的結果との比較するとよい一致が見られ、MgO層のバンドキャップ内にTi層の金属状態があり閉じ込めを受けているという理論的な結果を確認出来た。
また、新規熱電物質スクッテルダイト構造物質の電子状態の計算やシリサイド系熱電材料の開発を行い、熱電特性の解明とその向上へ向けた研究を行い、この物質を用いた超格子系の研究のベースとした。

研究成果

• [文献書誌] K.Koga, K.Akai, K.Oshiro, M.Matsuura: "Electronic Structure and Thermoelectric Properties Skutterudites CoSb_3"Thermoelectric Materials 2001,Research and Applications, Edited by G.S.Nolas, D.C.Johnson, and D.G.Mandrus. 339-344 (2002)
• [文献書誌] Ruisheng Zheng, Tsunemasa Taguchi, Mitsuru Matsuura: "Theory of long-wavelength optical lattice vibrations in multinary mixed crystals: Application to group-III nitride alloys"Physical Review B. Vol.66. 075327-1-075327-7 (2002)
• [文献書誌] Kazunori Oshiro, Koji Akai, Mitsuru Matsuura: "Exciton-optical Phonon interaction in a spherical quantum dot embedded in nonpolar matrix"Physical Review B. Vol.66. 153308-1-153308-4 (2002)
• [文献書誌] Kenji Koga, Koji Akai, Kazunori Oshiro, Hiroaki Anno, Mitsuru Matsuura: "Electronic Structure and Properties of Metal Ti/Insulator MgO Superlattice"Transactions of the Materials Research Society of Japan. (印刷中).
• [文献書誌] Naoki Arita, Shunji Sakurai, Hiroki Kurisu, Setsuo Yamamoto, Mitsuru Matsuura: "Thermoelectric Properties of Mg_2Si Processed by Spark Plasma Sintering Method"Transactions of the Materials Research Society of Japan. (印刷中).
• [文献書誌] Shunji Sakurai, Kenji Koga, Koji Akai, Hiroki Kurisu, Setsuo Yamamoto, Mitsuru Matsuura: "Thermoelectric Properties of Mn-Si Ceramics"Transactions of the Materials Research Society of Japan. (印刷中).